DE10050150A1 - Dynamic reduction for dynamically limited audio systems - Google Patents
Dynamic reduction for dynamically limited audio systemsInfo
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- H03G7/007—Volume compression or expansion in amplifiers of digital or coded signals
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Abstract
Ein Verfahren zur Begrenzung der Dynamik von Audiosignalen bei Audio-Endgeräten, bei dem ein Eingangssignal x derart behandelt wird, dass ein festgelegter maximaler Grenzwert y¶max¶ für ein Ausgangssignal y aus dem Endgerät nicht überschritten wird, und bei dem ein vorgebbarer konstanter Verstärkungswert v eingestellt wird, wobei für v 1 das Eingangssignal x mit einem Nominalpegel mit maximaler Amplitude y¶max¶ verzerrungsfrei als Ausgangssignal y wiedergegeben wird, und wobei für v = const > 1 eine Verzerrung der Signale auftritt, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt (a) das Eingangssignal x in seiner Dynamik auf einen Zwischenwert y¶1¶ < x komprimiert wird, und dass in einem darauf folgenden zweiten Schritt (b) das mit dem konstanten Verstärkungswert v verstärkte Ausgangssignal y = v È y¶1¶ gebildet wird. Dadurch können mit einfachen Mitteln Verzerrungen im Ausgangssignal y auch für hohe Verstärkungen v erheblich vermindert, minimiert oder gänzlich ausgeschlossen werden.A method for limiting the dynamics of audio signals in audio terminals, in which an input signal x is treated in such a way that a defined maximum limit value y¶max¶ for an output signal y from the terminal device is not exceeded, and in which a predeterminable constant gain value v is set, whereby for v 1 the input signal x is reproduced without distortion as output signal y with a nominal level with maximum amplitude y¶max¶, and wherein for v = const> 1 a distortion of the signals occurs, is characterized in that in a first step (a) the input signal x is compressed in its dynamics to an intermediate value y¶1¶ <x, and that in a subsequent second step (b) the output signal y = v È y¶1¶ amplified with the constant gain value v is formed , As a result, distortions in the output signal y can be considerably reduced, minimized or completely eliminated even for high amplifications v using simple means.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung bzw. Reduktion der Dynamik von Audiosignalen, insbesondere menschlichen Sprachsignalen, bei Audio-Endgeräten, insbesondere bei Telekommunikations(= TK)-Endgeräten für die Übertragung von akustischen Nutzsignalen, bei dem ein Eingangssignal x derart behandelt wird, dass ein festgelegter maximaler Grenzwert ymax für ein Ausgangssignal y aus dem Endgerät nicht überschritten wird, und bei dem ein vorgebbarer konstanter Verstärkungswert v eingestellt wird, wobei für v ≦ 1 das Eingangssignal x mit einem Nominalpegel mit maximaler Amplitude ≦ ymax verzerrungsfrei als Ausgangssignal y wiedergegeben wird, und wobei für v = const < 1 eine Verzerrung der Signale auftritt. The invention relates to a method for limiting or reducing the dynamics of audio signals, in particular human voice signals, in audio terminals, in particular in telecommunications (= TC) terminals for the transmission of acoustic useful signals, in which an input signal x is treated in such a way that a specified maximum limit value y max for an output signal y from the terminal is not exceeded, and at which a predeterminable constant gain value v is set, whereby for v ≦ 1 the input signal x is reproduced without distortion as output signal y with a nominal level with maximum amplitude ≦ y max and where v = const <1 distortion of the signals occurs.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise durch das sogenannte "Hard Clipper"- Prinzip bekannt.Such a method is, for example, by the so-called "hard clipper" - Principle known.
Nach dem Hard Clipper-Prinzip, wie es in Fig. 1b dargestellt ist, werden die Audiosignale hart auf einen festen Wert begrenzt.According to the hard clipper principle, as shown in Fig. 1b, the audio signals are hard limited to a fixed value.
Die Begrenzung tritt bei der Analogtechnik meist durch die Begrenzung der verfügbaren Versorgungsspannung auf oder wird mittels einer Begrenzerschaltung auf einen festen Wert eingestellt. Bei der digitalen Signalverarbeitung müssen die digitalen Abtastwerte auf einen maximal darstellbaren Wert begrenzt werden, um einen Zahlenüberlauf zu verhindern. Durch die harte Begrenzung treten hörbare Verzerrungen auf, die Sprachqualität und die Verständlichkeit werden verschlechtert.The limitation in the case of analog technology mostly occurs through the limitation of available supply voltage or is by means of a Limiter circuit set to a fixed value. With the digital Signal processing must take the digital samples to a maximum representable value can be limited to prevent a number overflow. Due to the hard limitation, audible distortions occur Speech quality and intelligibility deteriorate.
Bei der Aufzeichnung von Audiosignalen auf Magnetbändern ist der Dynamikumfang durch die physikalischen Eigenschaften des Bandmaterials eingeschränkt. Bei dem bekannten DOLBY-Verfahren wird vor der Aufzeichnung auf ein Magnetband eine Dynamikkompression mit festem Kompressionsgrad durchgeführt. Die Aufzeichnung wird dann nach dem Lesen vom Magnetband wieder auf die ursprüngliche Dynamik mittels Dynamikexpander gebracht. Kompressionsgrad und Expansionsgrad heben sich gegenseitig auf. Damit ergeben sich allerdings folgende Nachteile: Eine feste Kompression ändert die Lautstärke im gesamten Dynamikbereich und führt zum "Atmen". Ziel sollte es jedoch sein den gesamten Bereich möglichst naturgetreu zu übertragen. Eine automatische Anpassung an den zur Verfügung stehenden Dynamikbereich fehlt aber beim DOLBY-Verfahren.When recording audio signals on magnetic tapes is the Dynamic range due to the physical properties of the strip material limited. In the well-known DOLBY process, before Recording on a magnetic tape a dynamic compression with fixed Degree of compression performed. The record is then after reading from the magnetic tape back to the original dynamic Brought dynamic expander. Raise degree of compression and degree of expansion each other on. However, this has the following disadvantages: fixed compression changes the volume in the entire dynamic range and leads to "breathing". However, the goal should be the entire area if possible to transmit in a natural way. An automatic adaptation to the However, the dynamic range available is missing in the DOLBY process.
Verfahren zur Dynamikreduzierung von digitalen Audiosignalen mit a-law- oder µ-law- Kompressionskennlinien sind nach dem Standard ITU-T G721 bekannt. Sie dienen zur Datenreduktion auf 64 kBit/s. Die Dynamik wird hierbei um 6 Bit entsprechend 36 dB vor der Übertragung komprimiert, und nach der Übertragung wieder mit der gleichen Kennlinie dekomprimiert. Process for dynamic reduction of digital audio signals with a-law or µ-law Compression characteristics are known according to the ITU-T G721 standard. she are used to reduce data to 64 kbit / s. The dynamic range is increased by 6 bits correspondingly compressed 36 dB before transmission, and after the Transmission decompressed again with the same characteristic.
Diese Verfahren sind insofern nachteilig, da jeder einzelne Abtastwert entsprechend der nichtlinearen Funktion der Kennlinie verzerrt wird, was zu starken hörbaren Verzerrungen im Ausgangssignal y führt.These methods are disadvantageous in that each sample is distorted according to the non-linear function of the characteristic, which leads to leads to strong audible distortions in the output signal y.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art mit möglichst einfachen Mitteln dahingehend weiterzubilden, dass Verzerrungen im Ausgangssignal y auch für hohe Verstärkungen v erheblich vermindert, wenn möglich minimiert oder gänzlich ausgeschlossen werden.In contrast, the object of the present invention is a method of kind described above with the simplest possible means to further develop that distortion in the output signal y even for high Reinforcements v significantly reduced, if possible minimized or entirely be excluded.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt (a) das Eingangssignal x in seiner Dynamik auf einen Zwischenwert y1 < x komprimiert wird, und dass in einem darauf folgenden zweiten Schritt (b) das mit dem konstanten Verstärkungswert v verstärkte Ausgangssignal y = v.y1 gebildet wird.According to the invention, this object is achieved in a surprisingly simple and effective manner in that the dynamics of the input signal x are compressed to an intermediate value y 1 <x in a first step (a), and in a subsequent second step (b ) the output signal y = vy 1 is amplified with the constant gain value v.
Der Verstärkungswert v dient zur Lautstärkeeinstellung und ist so definiert, dass v = 1 der Vollaussteuerung eines Signals entspricht, wobei v < 1 zu Verzerrungen eines Signals mit Nominalpegel führt.The gain value v is used for volume adjustment and is defined in such a way that v = 1 corresponds to the full modulation of a signal, where v <1 to distortion of a signal with a nominal level.
Sprachsignale weisen Pegelschwankungen auf, die durch die individuelle Betonung des Sprechers hervorgerufen werden. Diese leisen und lauten Passagen müssen nun unterschiedlich behandelt werden, um für alle Passagen eine maximale und verzerrungsfreie Verstärkung zu erreichen.Speech signals have level fluctuations caused by the individual Emphasis on the speaker. These are quiet and loud Passages must now be treated differently in order for all passages to achieve maximum and distortion-free amplification.
Demgegenüber soll die Signalform des Sprachsignals möglichst naturgetreu übertragen werden. Die Signalform ist abhängig vom Sprachinhalt (Vokal, Konsonant etc.).In contrast, the signal form of the speech signal should be as lifelike as possible be transmitted. The signal form depends on the language content (vowel, Consonant etc.).
Mit y1 wird nun erfindungsgemäß ein Zwischenwert aus dem Eingangssignal x berechnet, der bei der anschließenden Verstärkung v verzerrungsfreie Signale liefert. Hierzu muss die Dynamik des Eingangssignals x auf einen vom Szenario abhängigen Wert komprimiert werden. Der erforderliche Kompressionsgrad oder die erforderliche Schwelle ab der das Signal komprimiert wird ist vom Signalinhalt von x und von der eingestellten Verstärkung v abhängig. Die Art der Kompression kann individuell gestaltet werden.With y 1 , an intermediate value is now calculated according to the invention from the input signal x, which delivers distortion-free signals during the subsequent amplification v. For this purpose, the dynamics of the input signal x must be compressed to a value that depends on the scenario. The required degree of compression or the required threshold from which the signal is compressed depends on the signal content of x and the set gain v. The type of compression can be designed individually.
Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der ein Zwischenwert y1 gebildet wird aus y1 = x.f(cf), wobei f(cf) eine Funktion eines dynamischen Verstärkungsfaktors cf ist, der in Abhängigkeit vom Eingangssignal x und dem konstanten Verstärkungswert v berechnet wird.A variant of the method according to the invention is particularly preferred, in which an intermediate value y 1 is formed from y 1 = xf (cf), where f (cf) is a function of a dynamic gain factor cf which, depending on the input signal x and the constant gain value v is calculated.
Zur Bildung des Zwischenwertes wird das Eingangssignal x auf einen von der Verstärkung v abhängigen Wert reduziert, um bei der anschließenden Multiplikation mit cf Verzerrungen durch Übersteuerung zu vermeiden.To form the intermediate value, the input signal x is switched to one of the Gain v dependent value reduced to at the subsequent Avoid multiplication by cf distortion due to clipping.
Eine Weiterbildung dieser Verfahrensvariante sieht vor, dass aus dem
Eingangssignal x ein Kurzzeitmittelwert sam(x) gebildet wird, und dass
für v ≦ 1 der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als
A further development of this method variant provides that a short-term mean sam (x) is formed from the input signal x, and that the dynamic gain factor cf is calculated as v ≦ 1
cf = 1/v,
cf = 1 / v,
für v < 1 der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als
for v <1 the dynamic gain factor cf is calculated as
cf = 1/(v2.sam(x))
cf = 1 / (v 2 .sam (x))
und daraus jeweils der Zwischenwert y1 = x.f(cf) gebildet wird.and the intermediate value y1 = x.f (cf) is formed therefrom.
Durch die Verwendung der Kurzzeitmittelwerte sam(x) zur Berechnung des aktuellen Verstärkungsfaktors cf ist eine nahezu verzerrungsfreie Pegelkontrolle möglich.By using the short-term mean values sam (x) to calculate the current gain factor cf is an almost distortion-free Level control possible.
Einzelne Abtastwerte werden stationär betrachtet und mit annähernd gleichem Verstärkungsgrad behandelt. Dadurch werden hörbare Signalformverzerrungen vermieden, während das System sich sehr schnell an Pegelschwankungen anpasst. Individual samples are considered stationary and with almost the same Gain treated. This will cause audible waveform distortion avoided while the system is very fast on level fluctuations adapts.
Für einzelne Abschnitte erscheint das System stabil, wobei trotzdem schnelle Systemschwankungen fast unhörbar ausgeglichen werden können. Grund dafür ist die Verwendung der an das Ohr angepassten sam-Mittelung.The system appears stable for individual sections, but still fast System fluctuations can be compensated for almost inaudibly. the reason for this is the use of sam averaging adapted to the ear.
Bei Systemen mit unterabgetasteten Hilfsgrößen ist diese Lösung einfacher, da keine sonstigen konditionalen Operationen notwendig sind.For systems with undersampled auxiliary variables, this solution is easier because no other conditional operations are necessary.
Eine Vereinfachung dieser Verfahrensvariante sieht vor, dass das
Ausgangssignal y direkt aus dem Eingangssignal x und dem Verstärkungswert v
berechnet wird, wenn v < 1
A simplification of this variant of the method provides that the output signal y is calculated directly from the input signal x and the gain value v if v <1
y = v.x.y = v.x.
Sonst wird
Otherwise it will
cf = 1/(v2.sam(x))
cf = 1 / (v 2 .sam (x))
und daraus jeweils das Ausgangssignal y = x.f(cf) gebildet wird.and the output signal y = x.f (cf) is formed therefrom.
Besteht keine Übersteuerungsgefahr, kann das Ausgangssignal direkt aus x und v berechnet werden. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass keine Beeinflussung des Signals bei Verstärkungswerten v < 1 stattfindet.If there is no risk of overdriving, the output signal can be directly from x and v can be calculated. An advantage of this approach is that none Influencing of the signal takes place at gain values v <1.
Bei einer anderen Weiterbildung der oben genannten Verfahrensvariante ist
vorgesehen, dass aus dem Eingangssignal x ein Kurzzeitmittelwert sam(x)
gebildet wird, und dass
für abs(x) ≧ 1/v der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als
cf = 1/v,
für abs(x) < 1/v der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als
cf = 1/(v2.sam(x)n),
wobei |n| ∈ ℵ ≠ 0
und daraus jeweils das Ausgangssignal y1 = x.f(cf) gebildet wird. Damit lässt
sich der Kompensationsgrad durch das erfindungsgemäße Verfahren innerhalb
relativ weiter Grenzen frei festlegen.
Another development of the above-mentioned method variant provides that a short-term mean sam (x) is formed from the input signal x, and that
for abs (x) ≧ 1 / v the dynamic gain factor cf is calculated as cf = 1 / v,
for abs (x) <1 / v the dynamic gain factor cf is calculated as cf = 1 / (v 2 .sam (x) n ),
where | n | ∈ ℵ ≠ 0
and the output signal y1 = xf (cf) is formed therefrom. The degree of compensation can thus be freely determined within relatively wide limits by the method according to the invention.
Bei einer besonders einfachen Realisierung dieser Weiterbildung wird der Exponent n = 1 gewählt.With a particularly simple implementation of this training, the Exponent n = 1 selected.
Bei einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Funktion f(cf) derart gewählt, dass sie eine Filterung, insbesondere eine Glättung des dynamischen Verstärkungsfaktors cf bewirkt.In a further, particularly preferred embodiment of the According to the inventive method, the function f (cf) is selected such that it a filtering, in particular a smoothing of the dynamic Gain factor causes cf.
Bei einer besonders effektiven und einfach zu handhabenden Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Funktion f(cf) ein rekursives Filter erster Ordnung für cf.With a particularly effective and easy-to-use training In this embodiment, the function f (cf) is a recursive filter first Order for cf.
Die Glättung ist in allen Fällen, in denen keine Übersteuerung vorliegt, sinnvoll und reduziert den Klirrfaktor.Smoothing is useful in all cases where there is no overload and reduces the distortion factor.
Speziell kann diese Weiterbildung noch dadurch verbessert werden, dass das
Eingangssignal x in äquidistanten Zeitschritten T jeweils zu Zeitpunkten k mit
einer Abtastfrequenz fA = 1/T abgetastet wird, und dass die Funktion f(cf) als
geglätteter Verstärkungswert cg(k) berechnet wird gemäß
In particular, this development can be further improved by sampling the input signal x in equidistant time steps T at times k with a sampling frequency f A = 1 / T, and by calculating the function f (cf) as a smoothed gain value cg (k) according to
wobei as = 1 - bs = 1 - e-T/ τ k, mit einer Zeitkonstanten τk < tmax
und al = 1 - bl = 1 - e-T/ τ l, mit einer Zeitkonstanten τl < tmin.where as = 1 - bs = 1 - e -T / τ k , with a time constant τ k <t max
and al = 1 - bl = 1 - e -T / τ l , with a time constant τ l <t min .
Durch diese zustandsabhängige Filterung wird eine schnelle Unterdrückung von Übersteuerungen bei großen Dynamiksprüngen erreicht, während für normale Situationen die Zeitfunktion des Glättungsfilters an das Ohr angepasst ist und für eine verzerrungsfreie Wiedergabe sorgt. This state-dependent filtering enables fast suppression of Overdrive achieved with large dynamic jumps, while for normal ones Situations the time function of the smoothing filter is adapted to the ear and ensures distortion-free playback.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn dabei die Teilfunktionen im Verfahren zur Berechnung des geglätteten dynamischen Verstärkungswertes cg mit einer niedrigeren Abtastfrequenz als fA berechnet werden, um Rechenleistung einzusparen.It is also advantageous if the sub-functions in the method for calculating the smoothed dynamic gain value cg are calculated with a sampling frequency lower than f A in order to save computing power.
Die entsprechenden Zeitgrenzwerte werden zur Erzielung eines gehör- adäquaten Zeitverhaltens vorteilhafter Weise als tmax ≦ 1 ms und tmin ≧ 60 ms, vorzugsweise tmin ≧ 65 ms gewählt.The corresponding time limit values are advantageously chosen as t max ≦ 1 ms and t min ≧ 60 ms, preferably t min ≧ 65 ms, in order to achieve a hearing behavior that is adequate for hearing.
Bei einer alternativen Weiterbildung umfasst die Funktion f(cf)
eine Integration f(cf) = ∫ cf.dt
oder
eine Summation
In an alternative training, the function f (cf) comprises
an integration f (cf) = ∫ cf.dt
or
a summation
über cf.about cf.
Besonders bevorzugt ist auch eine Verfahrensvariante, bei der der Kurzzeitmittelwert sam(x) an das Wahrnehmungsverhalten des menschlichen Ohres gemäß den Regeln der Psychoakustik angepasst ist.A method variant in which the Short-term mean sam (x) to the perception behavior of the human Ear is adapted according to the rules of psychoacoustics.
Bei einer weiteren Verfahrensvariante ist es vorteilhaft, wenn das
Eingangssignal x in äquidistanten Zeitschritten T jeweils zu Zeitpunkten k mit
einer Abtastfrequenz fA = 1/T abgetastet wird, und dass die der
Kurzzeitmittelwert sam(x(k)) berechnet wird gemäß
In a further method variant, it is advantageous if the input signal x is sampled in equidistant time steps T at times k with a sampling frequency f A = 1 / T, and that the short-term mean sam (x (k)) is calculated in accordance with
wobei αs = 1 - βs = 1 - e-T/ τ k, mit einer Zeitkonstanten τk < tmax
und αl = 1 - βl = 1 - e-T/ τ l, mit einer Zeitkonstanten τl < tmin.where αs = 1 - βs = 1 - e -T / τ k , with a time constant τ k <t max
and αl = 1 - βl = 1 - e -T / τ l , with a time constant τ l <t min .
Dabei werden die Zeitgrenzwerte bevorzugt wieder zu tmax ≦ 1 ms und tmin ≧ 60 ms, vorzugsweise tmin ≧ 65 ms gewählt.The time limit values are preferably selected again at t max ≦ 1 ms and t min ≧ 60 ms, preferably t min ≧ 65 ms.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Servereinheit, eine Prozessor-Baugruppe sowie eine Gate-Array-Baugruppe zur Unterstützung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Computerpro gramm zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren kann sowohl als Hard wareschaltung, als auch in Form eines Computerprogramms realisiert werden. Heutzutage wird eine Software-Programmierung für leistungsstarke DSP's bevorzugt, da neue Erkenntnisse und Zusatzfunktionen leichter durch eine Veränderung der Software auf bestehender Hardwarebasis implementierbar sind. Verfahren können aber auch als Hardwarebausteine beispielsweise in TK- Endgeräten oder Telefonanlagen implementiert werden.A server unit, a, also falls within the scope of the present invention Processor assembly and a gate array assembly to support the The inventive method described above and a computer pro gram to carry out the procedure. The method can be used both as a hard circuit, as well as in the form of a computer program. Nowadays software programming for powerful DSP's preferred, because new insights and additional functions are easier through a Software changes can be implemented on existing hardware basis are. However, methods can also be used as hardware modules, for example in telecommunications Devices or telephone systems can be implemented.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention result from the description and the Drawing. Likewise, the above and the others Features listed according to the invention individually for themselves or to several can be used in any combination. The shown and The described embodiments are not to be considered as a conclusive list understand, but rather have exemplary character for the description the invention.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing and is based on Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1a ein stark schematisiertes Prinzipbild der Funktionsweise einer Ein richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 1a is a highly schematic diagram of the operation of a device for performing the method according to the invention;
Fig. 1b ein entsprechendes Prinzipbild für den Stand der Technik; FIG. 1b shows a corresponding schematic diagram of the prior art;
Fig. 2a Ausgangssignalpegel y als Funktion des Eingangssignals x für verschiedene Verstärkungswerte v beim erfindungsgemäßen Verfahren; FIG. 2a output signal level y as a function of the input signal x for different gain values v in the method according to the invention;
Fig. 2b wie Fig. 2a, aber nach dem Stand der Technik; Fig. 2b as Fig 2a, but according to the prior art.
Fig. 3a das Modulationsverhalten eines stark ausgesteuerten Sprachsignals nach der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und Fig. 3a shows the modulation behavior of a heavily controlled speech signal after treatment with the inventive method, and
Fig. 3b das Modulationsverhalten desselben Sprachsignals nach der Behandlung mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik. FIG. 3b shows the modulation behavior of the same speech signal after treatment with a method according to the prior art.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Begrenzung bzw. Reduktion der Dynamik von Audiosignalen, insbesondere menschlichen Sprachsignalen, bei allen Anwendungen, bei denen eine Begrenzung der Übertragungsdynamik gegeben ist.The aim of the method according to the invention is to limit or reduce the Dynamics of audio signals, especially human speech signals, at all applications where the transmission dynamics are limited given is.
So ist die verzerrungsfreie Wiedergabe von Sprachsignalen mit kleinen Lautsprechersystemen oder bei Endgeräten mit begrenzter Versorgungsspannung (batteriebetriebene Geräte) nur in einem begrenzten Aussteuerbereich möglich. Gefordert wird allerdings häufig mehr Lautstärke, als vom System abgegeben werden kann, um beispielsweise leise Passagen in einer geräuscherfüllten Umgebung noch hörbar zu machen. Dies ist allerdings nur durch eine Reduzierung des Dynamikbereichs möglich.So is the distortion-free reproduction of voice signals with small Speaker systems or for devices with limited Supply voltage (battery operated devices) only in a limited Control range possible. However, more volume is often required than can be delivered by the system, for example to quiet passages in in a noisy environment. However, this is only possible by reducing the dynamic range.
Fig. 1a zeigt das Prinzip der Erfindung. Das Ausgangssignal y(k) wird hier
nach Gleichung (1) wie folgt berechnet:
Fig. 1a shows the principle of the invention. The output signal y (k) is calculated here according to equation (1) as follows:
y(k) = v.y1(k) (1);
y (k) = vy 1 (k) (1);
y1(k) ist das dynamikreduzierte Eingangssignal und wird nach Gleichung (2)
wie folgt berechnet:
y 1 (k) is the dynamically reduced input signal and is calculated according to equation (2) as follows:
Die Fallentscheidung in Gleichung (2) kann auch schon früher erfolgen. So
kann die Fallunterscheidung wie in Gleichung (1b) durchgeführt werden,
wodurch sich die Berechnung von y1(k) wie folgt vereinfacht und der
bestmögliche Störabstand erreicht werden kann:
The case decision in equation (2) can also be made earlier. The case distinction can thus be carried out as in equation (1b), which simplifies the calculation of y 1 (k) as follows and achieves the best possible signal-to-noise ratio:
Mit y1(k) wird ein dynamisch kontrolliertes Signal berechnet, das verzerrungsfrei
mit der gewünschten Verstärkung verstärkt werden kann. Die
Dynamikkompression wird durch einen gemittelten Kompressionsfaktor cf(m)
erreicht, der nach Gleichung (3) wie folgt berechnet werden kann:
With y 1 (k) a dynamically controlled signal is calculated, which can be amplified without distortion with the desired gain. The dynamic compression is achieved by an average compression factor cf (m), which can be calculated according to equation (3) as follows:
Der Index m weist zeigt an, dass dieser Wert unterabgetastet werden kann. Die
Mittelung von cf(m) kann, wie in der folgenden Gleichung (4) gezeigt, erreicht
werden:
The index m indicates that this value can be subsampled. The averaging of cf (m) can be achieved as shown in the following equation (4):
Es werden zwei Zeitkonstanten verwendet. Die Koeffizienten as und bs stehen für eine kurze Zeitkonstante und al und bl für eine lange.Two time constants are used. The coefficients as and bs stand for a short time constant and al and bl for a long one.
Fig. 2a zeigt die Wirkungsweise der Erfindung bei v = 1 und v = 10. Deutlich ist die Krümmung ab etwa -35 dB zu erkennen, ab der die Kompression des Signals mit zunehmendem Eingangspegel zunimmt. FIG. 2a shows the mode of operation of the invention at v = 1 and v = 10. The curvature can be clearly seen from approximately -35 dB, above which the compression of the signal increases with increasing input level.
Fig. 3a zeigt die Wirkungsweise der Erfindung im Zeitsignal. Durch die Kompression wird verhindert, dass laute Signale verzerrt werden, wobei leise Passagen des Sprachsignals noch deutlich verstärkt werden können. Fig. 3a shows the operation of the invention in the time signal. The compression prevents loud signals from being distorted, whereby quiet passages of the speech signal can be significantly amplified.
Fig. 1b zeigt das oben beschriebene Hard Clipper-Prinzip. FIG. 1b, the hardware described above shows Clipper principle.
Fig. 2b zeigt die Wirkung des Hard Clippers bei v = 1 und v = 10. Hier treten schon bei -20 dB starke Verzerrungen auf. FIG. 2b shows the effect of Hard clippers at v = 1 and v = 10. Here shows occur even at -20 dB strong distortions.
Fig. 3b schließlich zeigt die Wirkung des Hard Clippers bei einem Zeitsignal. FIG. 3b shows, finally, the effect of the hard clippers at a time signal.
Claims (19)
für v ≦ 1 der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als cf = 1/v,
für v < 1 der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als cf = 1/(v2.sam(x))
und daraus jeweils das Ausgangssignal y = x.f(cf) gebildet wird.3. The method according to claim 2, characterized in that a short-term mean sam (x) is formed from the input signal x, and that
for v ≦ 1 the dynamic gain factor cf is calculated as cf = 1 / v,
for v <1 the dynamic gain factor cf is calculated as cf = 1 / (v 2 .sam (x))
and the output signal y = xf (cf) is formed therefrom.
für v < 1 der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als cf = 1/(v2.sam(x))
und daraus jeweils das Ausgangssignal y = x.f(cf) gebildet wird,
und für v ≦ 1 das Ausgangssignal y direkt bestimmt wird aus y = v.x.4. The method according to claim 2, characterized in that a short-term mean sam (x) is formed from the input signal x, and that
for v <1 the dynamic gain factor cf is calculated as cf = 1 / (v 2 .sam (x))
and the output signal y = xf (cf) is formed therefrom,
and for v ≦ 1 the output signal y is determined directly from y = vx
für sam(x) ≧ 1/v der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als cf = 1/v,
für sam(x) < 1/v der dynamische Verstärkungsfaktor cf berechnet wird als cf = 1/(v2.sam(x)n),
wobei |n| ∈ ℵ ≠ 0
und daraus jeweils das Ausgangssignal y = x.f(cf) gebildet wird. 5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that a short-term mean sam (x) is formed from the input signal x, and that
for sam (x) ≧ 1 / v the dynamic gain factor cf is calculated as cf = 1 / v,
for sam (x) <1 / v the dynamic gain factor cf is calculated as cf = 1 / (v 2 .sam (x) n ),
where | n | ∈ ℵ ≠ 0
and the output signal y = xf (cf) is formed therefrom.
wobei ak = 1 - bk = 1 - e-T/ τ k, mit einer Zeitkonstanten τk < tmax
und al = 1 - bl = 1 - e-T/ τ l, mit einer Zeitkonstanten τl < tmin.9. The method according to claim 8, characterized in that the input signal x is sampled in equidistant time steps T in each case at times k with a sampling frequency f A = 1 / T, and that the function f (cf) is calculated as a smoothed gain value cg (k) is according to
where ak = 1 - bk = 1 - e -T / τ k , with a time constant τ k <t max
and al = 1 - bl = 1 - e -T / τ l , with a time constant τ l <t min .
eine Integration f(cf) = ∫ cf.dt oder
eine Summation
über cf umfasst.12. The method according to claim 7, characterized in that the function f (cf)
an integration f (cf) = ∫ cf.dt or
a summation
includes over cf.
wobei αk = 1 - βk = 1 - e-T/ τ k, mit einer Zeitkonstanten τk < tmax
und αl = 1 - βl = 1 - e-T/ τ l, mit einer Zeitkonstanten τl < tmin. 14. The method according to any one of claims 3 to 13, characterized in that the input signal x is sampled in equidistant time steps T at times k with a sampling frequency f A = 1 / T, and that the short-term mean sam (x (k) ) is calculated according to
where αk = 1 - βk = 1 - e -T / τ k , with a time constant τ k <t max
and αl = 1 - βl = 1 - e -T / τ l , with a time constant τ l <t min .
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